[发明专利]一种塞钉式钛合金板材搅拌摩擦点焊方法

说明书

本发明公开了一种塞钉式钛合金搅拌摩擦点焊方法，包括以下步骤：第一步，加工预置孔，用扩孔钻对母材施焊部位加工一个凹锥形预置孔；第二步，焊接，将锥形塞钉装入焊具的搅拌头的夹持孔中，在氩气保护气氛下，启动搅拌头将塞钉旋转扎入到预置孔中进行搅拌摩擦焊接，并通过搅拌头对焊接区进行静压顶锻使组织致密化；第三步，移除焊具并清理，关闭保护气，卸载焊具，去除飞边，施焊完成。本发明的焊具和塞钉结构简单，便于加工，节省耗材，且焊接过程中更换塞钉方便，易于实现批量化连续点焊作业的特点；本发明焊后填充区域材料组织致密，机械性能优良，变形小且无污染。

技术领域

本发明属于金属焊接技术领域，具体为一种塞钉式钛合金板材搅拌摩擦点焊方法。

背景技术

目前，搅拌摩擦点焊(FSSW)技术在铝、镁等轻合金材料方面的焊接研究和应用比较多。但是，由于传统的搅拌摩擦焊技术的焊具都是一体式搅拌头，搅拌头上都带有一定长度的搅拌针，所以在焊缝末端都会留下一个与搅拌针尺寸形状类似的“匙孔”。匙孔的存在降低了焊缝的相对有效宽度，并减小了搭接剪切强度和抗拉强度，降低了焊接质量和构件的安全性。

基于此，人们提出了许多新的无匙孔或消除匙孔的搅拌摩擦焊接方法：如德国GKSS在1999年提出了一种新的焊接方法——回填式搅拌摩擦点焊技术，该方法采用分离的搅拌针、搅拌套和压紧套，通过精确控制搅拌针、搅拌套和压紧套的相对运动，在点焊工具回撤的同时填充材料，焊点中心没有匙孔；如对于板材零件焊缝的起始点和收尾处的匙孔，则采用引出法消除匙孔——即在搅拌摩擦焊的起焊和收焊的位置设置起焊板和引出板，起焊板和引出板并列平行放置在被焊零件的起始端和末端，焊接起焊点从起焊板上开始，终点在引出板上，将匙孔引出到被焊零件以外，然后从零件上切除起焊板和引出板，达到被焊零件无匙孔的效果。但是这种方法对搅拌摩擦点焊却无法消除匙孔；对于环形焊缝，美国NASA开发出伸缩式搅拌头焊接法——即搅拌头在焊接过程中，搅拌针与轴肩同时旋转，搅拌针与轴肩是分离的，到达焊缝末端，搅拌针受到轴向的提升作用，搅拌针逐渐缩短，焊缝的深度也逐渐变浅，当搅拌针与轴肩端面平齐时，焊缝上就不存在搅拌针留下的收焊匙孔，从而消除收焊“匙孔”。同样该方法也不能有效消除搅拌摩擦点焊的匙孔。

近年来还开发了诸如熔焊填补法、摩擦塞焊法、填充式搅拌摩擦塞补焊、铆接法等消除焊后匙孔的方法，这些技术在一定程度上都成功的解决了铝、镁合金FSW焊接的匙孔问题。如申请号为CN200910308559.X的专利采用了一种填充式搅拌摩擦塞补焊方法对匙孔进行填补，首先将存在的匙孔通过钻孔方式铣成锥孔，塞棒夹持部位做成圆柱体，将其前端加工成与锥孔匹配的形状，在适当的压力作用下高速旋转，塞棒边旋转边下降，塞棒端部与孔底及侧壁摩擦，使塞棒材料塑化，塑化材料的逐层堆积，填满匙孔，此时塞棒停转，并施以一定的压力，完成整个塞焊过程。申请号为CN201010136834.7的专利采用了一种先用传统的一体式搅拌摩擦焊具进行点焊，然后用组合式焊具进行二次焊接以塞补焊接匙孔的方法，分两步焊接实现了无匙孔点焊。但是这种方法一方面焊接过程复杂，更换补焊材料困难，不便于批量化生产；其次该焊具缺乏气氛保护装置，无法对钛合金材料实施焊接。因为钛合金材料在500℃以上极易与空气中的氧、氮、氢气体发生反应而是性能下降，因此钛合金材料必须在一定的气氛保护状态才能实施焊接。

以上方法在一定程度上，都能有效解决铝、镁合金等轻金属的搅拌摩擦焊的“匙孔”问题，但这些方法对熔点较高、塑性流动性较差的钛、钛合金等材料的搅拌摩擦焊接，尤其是搅拌摩擦点焊焊接中的匙孔，则难以实现“匙孔”的有效去除。因此，目前FSW技术在钛合金材料搅拌焊接方面的应用研究还不够成熟，尤其是搅拌摩擦点焊(FSSW)和摩擦塞点焊技术在钛合金板材搭接焊接上的应用研究还比较少。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种塞钉式钛合金板材搅拌摩擦点焊方法。

技术方案：本发明所述的一种塞钉式钛合金板材搅拌摩擦点焊方法，包括以下步骤：